Voorbeeld van de afgezette perovskietpilaren, die een pixel definiëren voor het maken van een afbeelding. Krediet: L. Forró, EPFL.
Sinds Wilhelm Röntgen ze in 1895 ontdekte, zijn röntgenfoto’s een hoofdbestanddeel van medische beeldvorming geworden. Amper een maand nadat het beroemde artikel van Röntgen was gepubliceerd, namen artsen in Connecticut de eerste röntgenfoto ooit van de gebroken pols van een jongen.
Sindsdien is er veel vooruitgang geboekt. Afgezien van röntgenfoto’s, die de meeste mensen minstens één keer in hun leven hebben gemaakt, omvat het huidige medische röntgengebruik fluoroscopie, radiotherapie voor kanker en computertomografie (CT), waarbij meerdere röntgenscans van het lichaam vanuit verschillende hoeken en combineert ze vervolgens in een computer om virtuele “plakjes” in dwarsdoorsnede van een lichaam te genereren.
Desalniettemin werkt medische beeldvorming vaak bij omstandigheden met een lage blootstelling, en daarom zijn kosteneffectieve detectoren met hoge resolutie nodig die kunnen werken met een zogenaamde “lage fotonenflux”. Fotonflux beschrijft eenvoudig hoeveel fotonen de detector op een bepaald moment raken en bepaalt het aantal elektronen dat het op zijn beurt genereert.
Nu hebben wetenschappers onder leiding van László Forró van de School of Basic Sciences precies zo’n apparaateenheid ontwikkeld. Door gebruikte 3D-aerosoljetprinten te gebruiken, ontwikkelden ze een nieuwe methode voor het produceren van zeer efficiënte röntgendetectoren die eenvoudig kunnen worden geïntegreerd in standaard micro-elektronica om de prestaties van medische beeldvormingsapparatuur aanzienlijk te verbeteren.
De nieuwe detectoren zijn gemaakt van grafeen en perovskieten, materialen die zijn samengesteld uit organische verbindingen die aan een metaal zijn gebonden. Ze zijn veelzijdig, gemakkelijk te synthetiseren en lopen voorop in een breed scala aan toepassingen, waaronder in zonnecellen, LED-lampen, lasers en fotodetectoren.
Schematische weergave van de in deze studie ontwikkelde Aerosol Jet Printing-methode. De geroerde methylammoniumloodjodide-perovskietoplossing wordt door de stikstof (N2) op een vooraf bepaalde positie bij het mondstuk gefocusseerd. De bijzonderheid van het materiaal is dat gevormde nanokristallen tijdens de vlucht zich niet verspreiden over het grafeensubstraat, waardoor 3D-architecturen kunnen worden gecreëerd. Krediet: Glushkova et al ACS Nano
Aerosol jet-printing is vrij nieuw en wordt gebruikt om 3D-geprinte elektronische componenten zoals weerstanden, condensatoren, antennes, sensoren en dunne-filmtransistors te maken of zelfs om elektronica op een bepaald substraat te printen, zoals het geval is bij een mobiele telefoon.
Met behulp van het aerosoljetprintapparaat bij CSEM in Neuchatel, hebben de onderzoekers perovskietlagen 3D-geprint op een grafeensubstraat. Het idee is dat, in een apparaat, de perovskiet fungeert als foton-detector en elektronenontlader, terwijl grafeen het uitgaande elektrische signaal versterkt.
Het onderzoeksteam gebruikte het methylammoniumloodjodide perovskiet (MAPbI3), dat onlangs veel aandacht heeft getrokken vanwege zijn fascinerende opto-elektronische eigenschappen, die goed samengaan met de lage fabricagekosten. “Dit perovskiet heeft zware atomen, die fotonen een hoge verstrooiingsdoorsnede geven, en maakt dit materiaal een perfecte kandidaat voor röntgendetectie”, zegt Endre Horváth, de chemicus van het onderzoeksteam.
De resultaten waren verbluffend. De methode produceerde röntgendetectoren met een recordgevoeligheid en een viervoudige verbetering ten opzichte van de beste medische beeldvormingsapparatuur in zijn klasse.
“Door fotovoltaïsche perovskieten te gebruiken met grafeen, is de respons op röntgenstraling enorm toegenomen”, zegt Forró. “Dit betekent dat als we deze modules zouden gebruiken bij röntgenbeeldvorming, de vereiste röntgendosis voor het vormen van een beeld meer dan duizend keer zou kunnen worden verlaagd, waardoor het gezondheidsrisico van deze hoogenergetische ioniserende straling voor mensen afneemt. “
Een ander voordeel van de perovskiet-grafeendetector is dat het eenvoudig is om er afbeeldingen mee te maken. “Het heeft geen geavanceerde fotovermenigvuldigers of complexe elektronica nodig”, zegt Forró. “Dit zou een echt voordeel kunnen zijn voor ontwikkelingslanden.”
De studie is gepubliceerd in ACS Nano
Geleverd door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne